Има ли в космоса еволюция и естествен подбор

Ваня Милева Последна промяна на 25 октомври 2024 в 00:00 2639 0

Мъглявината Пламък

Кредит Рентгенова снимка: NASA/CXC/PSU/K.Getman, E.Feigelson, M.Kuhn & екипът на MYStIX; Инфрачервена: NASA/JPL-Caltech

Мъглявината Пламък, показана тук в комбинация от рентгенови данни (от Chandra) и инфрачервена светлина (от Spitzer), показва млад, масивен звезден куп в центъра, който издълбава грандиозна форма в околния газообразен материал, който е използван за звездообразуване. Директните наблюдения на най-горещите, най-ярките и най-масивните звезди, които се образуват в тези региони, са трудни, тъй като често се намесват големи количества (видима) блокираща светлината материя. Само след няколко милиона години всички звезди, отговорни за осветяването на мъглявината Пламък, ще са изчезнали: грандиозен пример за космическа еволюция.

С времето Вселената се променя много, някои неща (функции, качества и обекти) оцеляват, а други се разпадат и изчезват. Може ли да се каже, че се подчинява на закони, аналогични на теорията на еволюцията на биологичните видове на Дарвин? Действа ли космическа еволюция и по какви критерии се извършва естествения подбор във Вселената?

Отговаря д-р Итън Сийгъл (Ethan Siegel) - американски теоретичен астрофизик и научен писател, който изучава теорията за Големия взрив.

Тук на Земята всички живи организми се подчиняват на определени правила и закони и са обект на еволюция, включително (и често основно) чрез процеса на естествен подбор. Организмите по отношение на:

  • функциите, които могат да изпълняват,
  • структурите, които притежават,
  • и основните генетични последователности, които ги кодират,

елементи, които до голяма степен определят тяхната биология, всички те се променят с времето или еволюират. Някои организми или дори цели групи организми могат да изчезнат, когато ресурсите са оскъдни или се появят конкуренти, докато други оцелеят, давайки началото на бъдещи организми, чиито родословия ще продължат да съществуват. Оцелелите са "подбрани", а тези, които изчезват, са изпаднали от подбора.

Въпреки че механизмът на естествения подбор е разкрит едва през 1800 г., с работата на Алфред Ръсел Уолъс и Чарлз Дарвин, със сигурност има аналогични процеси на еволюция и — от определена гледна точка — естествен подбор, които се случват и в космически мащаби. Докъде обаче можем да приемем отговорно тази аналогия? 

"Случват ли се еволюция и естествен подбор в космоса и ако да, каква физика е включена и как е направила космоса "по-добър" с течение на времето?"

Итън Сийгъл се дистанцира от всякакви ценностни преценки като "по-добро", когато става дума за физическите единици във Вселената, но да, космическата еволюция наистина се случва и определени физически структури – по същия начин като биологичните видове, в известен смисъл – някои оцеляват, а други - не. Ето как.

В началото на горещия Голям взрив Вселената се е разширявала бързо и се изпълва с високоенергийни, много плътно опаковани, ултрарелативистични кванти. Един ранен етап на доминиране на радиацията отстъпва място на няколко по-късни етапа, при които радиацията е поддоминираща, но никога не изчезва напълно, докато материята след това се струпва в газови облаци, звезди, звездни купове, галактики и дори по-богати структури с течение на времето, докато Вселената продължава да се разширява. Времето след като реликтовото лъчение е изчезнало, но преди звездите да са запалили, бележи космическите тъмни векове. Кредит: CfA/M. Weiss

Вселената има невероятна история и е претърпяла огромен брой промени във времето: изцяло, доколкото разбираме, поради процеси, които възникват единствено като следствие от законите, които управляват работата на природата. Ако започнем от началото на горещия Голям взрив, ще открием, че Вселената изобщо не е била като това, което разпознаваме днес, а по-скоро е била:

  • изключително гореща и високоенергийна, където типичната частица притежава приблизително октилион (1027) пъти повече енергия от типична частица със стайна температура,
  • симетрична между материя и антиматерия, където за всеки съществуващ квант материя, който, има равен квант антиматерия,
  • невероятно плътна, където средната плътност е била около ~10 80 пъти (или повече) по-плътна от Вселената, която обитаваме днес,
  • била е много еднородна, за разлика от днес, където дори най-големите и най-плътни региони са били само с ~0,01% по-плътни от средните и където регионите с най-ниска плътност са били само с ~0,01% по-малко плътни от средните,
  • и също така се е разширявала много бързо, при което средното разстояние между частиците се увеличава бързо, което също води до бърза загуба на енергия на частиците и бързо охлаждане в космически мащаб.

Въпреки че Вселената първоначално е била почти съвършено еднаква и е била изпълнена с всички познати кванти (частици, античастици, както и бозони, които не са нито материя, нито антиматерия) в приблизително еднакви количества, има два ключови фактора, които не могат да бъдат пренебрегнати, когато стига до еволюцията на Вселената.

Първо, има сили (и взаимодействия), които възникват между тези кванти, и второ, тези условия представляват състояние извън равновесие. Тъй като Вселената се разширява и охлажда, много от нейните първоначални свойства започват бързо да се променят.

При високите температури в много младата Вселена при достатъчно енергия не само частици и фотони могат да бъдат създадени спонтанно, но също така и античастици и нестабилни частици, което води до първична супа от частици и античастици. И все пак дори при тези условия могат да възникнат само няколко специфични състояния или частици и докато изминат няколко секунди, Вселената е много по-голяма, отколкото е била в най-ранните етапи. Тъй като Вселената започва да се разширява, плътността, температурата и скоростта на разширяване на Вселената също бързо спадат. Кредит: Brookhaven National Laboratory

Първата промяна не е "струпване", както бихте очаквали от закона за гравитацията, а по-скоро еволюция в това какви видове частици (или античастици) оцеляват. Присъщо на всяка частица (или античастица), която съществува, е определено количество енергия, което никога не може да бъде извлечено от самия квант: енергия на масата на покой или енергията от уравнението на Айнщайн E = mc² . Докато Вселената се разширява и охлажда, тя се охлажда през фаза, известна като електрослаб преход, и това предизвиква събитие, известно като нарушаване на симетрията. Полето на Хигс преминава от симетрично към асиметрично състояние, слабата ядрена сила се отделя от електромагнитната сила и частиците от Стандартния модел придобиват маса на покой. (Също така, или по време на този преход, или преди него, се произвежда лек излишък от една допълнителна частица материя за всеки ~1,6 милиарда частици антиматерия.)

Това кара най-нестабилните частици - тези с най-големи маси на покой и най-кратък среден живот - както и техните двойници на античастиците да се разпадат. Топ кварките (и антикварките) изчезват първи, следвани от W-и-Z бозоните и Хигс бозоните. Тогава тау лептоните (и антилептоните) престават да съществуват и тогава възниква друг преход: фазовият преход на квантовата хромодинамика (QCD) или Вселената преминава от кварк-глуонна плазма към такава, която притежава свързани състояния на кварки и/или антикварки:

  • бариони (комбинации от три кварка, такива са протоните и неутроните),
  • антибариони (комбинации от три антикварка),
  • и мезони (двойки кварк-антикварк).

Този "зоопарк" от частици съществува само за кратко време и докато Вселената се разширява и охлажда, най-тежката от тези комбинации се разпада най-бързо.

В много ранната Вселена е имало огромен брой кварки, лептони, антикварки и антилептони от всички видове. След като е изминала само малка част от секундата след горещия Голям взрив, повечето от тези двойки материя-антиматерия се унищожават, оставяйки много малко повече материя в сравнение с антиматерията. Как се е появил този излишък е загадка, наречена бариогенеза, и е един от най-големите нерешени проблеми в съвременната физика. Кредит: E. Siegel/Beyond the Galaxy

В известен смисъл може да се каже, че Вселената "подбира" определени видове частици: както фундаментални частици (кварки и лептони, както и бозони), така и съставни (бариони, антибариони и мезони), като само малко видове членове в крайна сметка ще оцелеят. Композитните частици, които съдържат дънни, чаровни и/или странни кварки (или антикварки), се разпадат, оставяйки сами само тези частици, които съдържат върховни и долни кварки: протони, неутрони, антипротони и антинеутрони, както и пиони.

След като Вселената се охлади достатъчно, така че да стане невъзможно да се произведат двойки протон-антипротон (или неутрон-антинеутрон) чрез сблъсъци с достатъчно енергия, за да ги образува (отново чрез E = mc² ), тогава протоните и антипротоните и неутроните и антинеутроните се анихилират, оставяйки само този малък излишък от протони и неутрони.

Приблизително по същото време последният от пионите (най-дългоживеещият мезонен вид) се разпада на мюони и антимюони и след това мюоните и антимюоните се унищожават и/или се разпадат, оставяйки двойки електрон-позитрон като последен оставащ резерв от големи количества антиматерия. Електроните и позитроните, както и неутрино и антинеутрино, играят роля в благоприятстването на превръщането на неутроните в протони спрямо превръщането на протоните в неутрони. След това:

  • когато Вселената е на около една секунда, слабите взаимодействия замръзват и взаимното преобразуване на протон-неутрон престава,
  • когато Вселената е на около три секунди, електроните и позитроните анихилират, оставяйки само малък излишък от електрони (което балансира броя на протоните, поддържайки електрическата неутралност на Вселената),
  • и накрая, когато Вселената е на няколко минути, реакциите на ядрен синтез могат да протичат стабилно, произвеждайки леки атомни ядра.

Само за ~20 минути се стига до почти съвършено еднородна супа частици и античастици до море от много по-нискоенергийни фотони и неутрино (и антинеутрино), изпъстрени с атомни ядра и достатъчно електрони, за да поддържат Вселената електрически неутрална.

При високи температури, големи плътности или и двете, вече няма стабилни бариони (комбинации от три кварка в свързани състояния), като протони и неутрони. Вместо това има само свободни кварки и глуони в състояние, наречено кварк-глуонна плазма. В ранната Вселена кварк-глуонната плазма е на първо място, а протоните и неутроните (и други бариони) се появяват едва след като Вселената се разширява и охлажда достатъчно. Кредит: Ben Gibson/Big Think

Сега, нека да разгледаме как са възникнали тези процеси и каква е физическата причина зад този вид космическа еволюция.

Макар самият Итън Сийгъл да кава, че "физиката не отговаря на въпросите защо нещо се случва", тя може да обясни, поради липса на по-добра дума, защо Вселената се е изпълнила с протони, ядра, съдържащи както протони, така и неутрони, електрони и само нискоенергийна баня от фотони и неутрино (и антинеутрино) след началото с изключително разнообразен набор от частици и античастици. Ключовата концепция е стабилност и тенденция нещата да преминават към най-стабилните състояния с най-ниска енергия.

Помислете за следния въпрос: защо, например, протонът е стабилен? Защо протонът не се разпада на нещо друго?

Има две причини.

Първата е, защото протонът е най-лекият барион с най-ниска маса в цялото съществуване.

Съставен от два горни кварка (най-лекият вид кварк) и един долен кварк (вторият най-лек вид кварк), протонът има маса в покой от 1,673 × 10 -27 kg (или 938,272 MeV/c²), което означава, че са нужни допълнителни количества енергия, за да го трансформират в някакъв друг вид барион. Неутронът, следващият най-лек барион, има маса в покой от 1,675 × 10 -27 kg (или 939,565 MeV/c²), а свободният неутрон ще се разпадне на протон, електрон и електронно антинеутрино със среден живот от около 15 минути. След като вече няма достатъчно количество енергия за създаване на тези по-тежки бариони, спонтанно, оцелеват само най-леките и най-стабилните.

В ранните периоди неутроните и протоните (вляво) се преобразуват свободно, благодарение на високоенергийните електрони, позитрони, неутрино и антинеутрино и съществуват в еднакъв брой (горе в средата). При по-ниски температури сблъсъците все още имат достатъчно енергия, за да превърнат неутроните в протони, но все по-малко и по-малко могат да превърнат протоните в неутрони, оставяйки ги да останат вместо това протони (долу в средата). След като слабите взаимодействия се отделят, Вселената вече не е разделена 50/50 между протони и неутрони, а по-скоро 85/15. След още 3-4 минути радиоактивният разпад допълнително измества баланса в полза на протоните. Кредит: E. Siegel/Beyond the Galaxy

В нашата Вселена действат и закони за запазване и симетрии: фундаментални, както и приблизителни, които са валидни при всички конвенционални, експериментални обстоятелства, изследвани някога от човечеството. Барионното число или общият брой бариони минус общия брой антибариони е едно такова запазено количество, а лептонното число или общият брой лептони минус общия брой антилептони е друго. Въпреки че може да си представите, че един протон може да се разпадне, да речем, на пион плюс лептон (неутрален пион плюс електрон или положително зареден пион плюс неутрино например), тези реакции биха нарушили както запазването на барионното число, така и също и запазването на лептонното число.

Това е. Трябва само да вземем предвид двойните факти, които:

  • Вселената подбира енергийно по-благоприятни конфигурации и по-ниско енергийно конфигурации,
  • и че има запазени количества и симетрии, които трябва да се спазват и не могат да бъдат нарушени, поне конвенционално,

за да обясни как се случва преобладаващата част от космическата еволюция, особено през ранните етапи на нашата Вселена.

Протоните и неутроните са най-стабилните бариони, така че те са единствените, които оцеляват в горещия, плътен, ранен етап. Електроните са най-стабилните заредени лептони, така че те са единствените, които оцеляват. Протоните и електроните не се разпадат на по-леки частици, защото има запазени количества (барионно число, лептонно число, електрически заряд и т.н.), които не могат да бъдат нарушени. И някои неутрони продължават да съществуват, защото свързаните състояния на неутроните и протоните заедно са по-стабилни от изолираните протони сами по себе си.

тъмна материяТози фрагмент от симулация на формиране на структура, с мащабирано разширение на Вселената, представлява милиарди години гравитационен растеж в богата на тъмна материя Вселена. С течение на времето свръхплътните струпвания от материя стават по-големи и по-масивни, прераствайки в галактики, групи и клъстери от галактики, докато регионите с по-малка плътност от средната преференциално предават материята си на по-плътните околни области. "Празните" области между свързаните структури продължават да се разширяват, но самите структури не. Кредит: Ralf Kaehler and Tom Abel (KIPAC)/Oliver Hahn

По същия начин, докато Вселената продължава да се разширява и охлажда, настъпват повече промени. Когато фотонната енергия спадне до достатъчно ниски стойности, протоните (и други атомни ядра) могат да се комбинират с електрони, за да образуват неутрални атоми: по-стабилно състояние с по-ниска енергия от просто йонизирана плазма от свободни протони (и атомни ядра) заедно със свободни електрони.

Започва да се случва гравитационен колапс, водещ до образуването на структура на космоса, тъй като гравитационно колапсираната колекция от маси е енергийно по-стабилна от еднородната колекция от маси.

С други думи, нещата се развиват към състояние на равновесие, физически, в природата, и равновесието се характеризира със състояние, което има най-ниското количество свободна енергия.

Но това, което се прилага глобално, често се случва да бъде нарушено локално.

Когато масите колапсират гравитационно, това води до висока плътност в центровете или ядрата на тези големи колекции от маса. Тъй като материята в нашата Вселена е направена основно от атоми - или съставките на атомите, като протони, неутрони и електрони - не можем просто да третираме нашата Вселена като подчинена само на закона на гравитацията.

Има и други закони и други сили: има електромагнитни взаимодействия, тъй като електронът и протонът имат електрически заряди, и има ядрени взаимодействия, тъй като протоните и/или неутроните могат или да се слеят, за да направят по-тежки елементи, или тежките ядра могат да се разделят или чрез реакции на делене. Когато достатъчно маса се събере в един регион на пространството, спонтанно възникват забележителни структури.

Остатъкът от свръхнова 1E0102.2-7219 (вложка) се намира до мъглявината N76 в ярка, звездообразуваща област на Малкия Магеланов облак. Когато се появят свръхнови, те могат неравномерно да обогатят междузвездната среда около тях с различни елементи в различни региони. След дълъг период от време този материал ще се смеси добре, ако нови звезди се образуват преди това, те ще бъдат неравномерно обогатени от тези тежки елементи. Кредит: NASA/JPL-Caltech/S. Stanimirovic (UC Berkeley)

Един от най-забележителните обекти е звездата: област от пространството, която е натрупала на едно място около ~10 56 бариона (протони и/или неутрони) или повече. Когато се събере такова количество маса заедно, централната температура на ядрото ще надхвърли критичния праг от около ~4 милиона K: ключовата температура, при която спонтанно започва да се случва ядрен синтез между протоните. Тъй като Вселената остарява и се доближава до равновесие в глобален мащаб, гравитационният колапс на материята може да предизвика началото на ядрени реакции. Въпреки че говорим за започването на този процес като "раждане на звезди" или за продължаващия характер на този процес като "живот на звездите", в него няма нищо биологично.

Случва се това, че тези звезди, въпреки че всъщност произвеждат енергия чрез процеса на ядрен синтез, преминават към състояние с по-ниска енергия. Докато леките атомни ядра се сливат в по-тежки атомни ядра, масата (от самите протони и неутрони) се преобразува в радиационна енергия, отново чрез най-известното уравнение на Айнщайн, E = mc² . Колкото повече се случва този синтез, толкова повече ядрото на тези звезди се изпълва с по-стабилни, по-тежки атомни ядра: ядра, от които като цяло може да се извлече по-малко енергия.

Докато звездите изгарят горивото в ядрото си, те в крайна сметка достигат края на еволюцията си. В зависимост от своите маси, те ще умрат или при експлозии на свръхнова, оставяйки след себе си неутронна звезда или бяло джудже, или ще умрат, издухвайки външните си слоеве в планетарна мъглявина, докато ядрата им се свиват до бяло джудже. (В далечното бъдеще звездите с най-ниска маса ще умрат, превръщайки се в бели джуджета, без да излъчват планетарна мъглявина, но Вселената все още не е достатъчно стара, за да се случи това дори веднъж.)

анимация на мъглявината Рак, заснета от Хъбъл и JWSTТози пълномащабен изглед на мъглявината Рак, от горния десен до долния ляв ъгъл, обхваща около 11-12 светлинни години на разстояние при разстояние на мъглявината от ~6500 светлинни години. Външните газови обвивки се разширяват с около ~1500 км/сек, или около 0,5% от скоростта на светлината. Това е може би най-добре проученият остатък от свръхнова за всички времена. Кредит: NASA, ESA, A. Loll/J. Hester (Arizona State University); NASA, ESA, CSA, STScI, T. Temim (Princeton University); Processing: E. Siegel

Може да не изглежда очевидно, но черните дупки, неутронните звезди и белите джуджета имат по-малко енергия и са по-стабилни от пълноправните, "живи" звезди. Те са по-енергийно стабилно крайно състояние и са наричани звездни останки.

Въпреки това, процесите, които водят до тях - тези, включващи свръхнови или производството на планетарна мъглявина - всички връщат не само водород и хелий във Вселената, но големи количества от тези тежки елементи, които са били произведени вътре в звездите, както по време на "живата” фаза на звездата, а също и по време на крайните етапи на звездната смърт. След това тези тежки елементи се смесват с атомите в междузвездната среда, създавайки възможност за образуване на звезди от следващо поколение с по-тежки елементи и, като резултат, потенциал за скалисти, твърди планети около тях.

Дори когато Вселената има тенденция към прогресивно по-нискоенергийно състояние и към състояние на непрекъснато нарастваща ентропия, има локални места, които могат да получават енергия и където физическите процеси могат да използват тази вложена енергия, за да вършат работа и да работят срещу общо увеличение на ентропията.

Планетата Земя е едно такова място, където това се е случило: задвижвани от източници на енергия, като хидротермални извори в океана или където директна слънчева светлина удря земната повърхност, атомите и молекулите могат да бъдат възбудени до състояния с по-висока енергия и тази енергия може да се използва за иницииране, поддържане и непрекъснато захранване на активност, която познаваме като жизнени процеси. "Хранейки се" с енергията, излъчвана от големи, масивни обекти, които се стремят към равновесие, биологичните процеси могат, в много малък мащаб в сравнение с космоса, да създадат изключително подредени единици, каквито сме и ние.

Ако животът е започнал с произволен пептид, който може да метаболизира хранителни вещества/енергия от околната среда, тогава репликацията може да произтече от коеволюция на пептиди и нуклеинова киселина. Тук е илюстрирана коеволюцията на ДНК-пептид, но вместо това може да работи с РНК или дори РНК като нуклеинова киселина. Твърдението, че е необходима "божествена искра", за да възникне живот, е класически аргумент "Бог на белите полета" (пропуските в научното разбиране се разглеждат като индикации за съществуването на Бог), но твърдението, че знаем точно как животът е възникнал от неживот, също не е вярно. Тези условия, включително скалисти планети с тези молекули, присъстващи на техните повърхности, вероятно са съществували през първите 1-2 милиарда години от Големия взрив. Кредит: A. Chotera et al., Chemistry Europe, 2018 г

В крайна сметка всичко това ще приключи.

Въпреки че нашата Вселена ще продължи да има нови звезди за трилиони и вероятно дори квадрилиони години, в крайна сметка всички те ще умрат. В крайна сметка взаимното взаимодействие между звездите и звездните остатъци в една галактика ще доведе до тяхното изхвърляне или до поглъщането им от черни дупки. При достатъчно дълги периоди от време дори най-масивните черни дупки ще се разпаднат, което ще доведе до "топлинна смърт" на Вселената или до равновесно състояние с най-ниска енергия за всичко в рамките на наблюдаваната Вселена. След като това състояние бъде постигнато, повече енергия не може да бъде извлечена от известен източник и няма да има по-нататъшна значима космическа еволюция.

Управляван единствено от тенденцията природата да поеме по пътища към най-нискоенергийните и най-равновесни състояния и ограничен от симетриите и законите за запазване, които управляват Вселената, един богат на звезди и галактики космос, осеян със звездни и планетарни системи, където могат да протичат биологични процеси, възниква естествено от горещо, плътно, разширяващо се, почти съвършено еднородно първоначално състояние.

В този смисъл космическата еволюция е неизбежна и естественият подбор "избира" състояния с по-ниска енергия, предпочитайки ги пред тези с по-висока енергия, доколкото може разумно да се разтегне аналогията, но когато става дума за въпроса за еволюцията и естествения подбор, дори само на физическа основа, е трудно да се разбере как Вселената, подчинявайки се на законите на природата, които познаваме, би могла да направи нещо друго.

Източник: Ask Ethan: Do evolution and natural selection occur cosmically? Starts With A Bang, Ethan Siegel

    Най-важното
    Всички новини
    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !